CN106571854A - 电力载波ofdm系统频率域帧检测同步方法及装置 - Google Patents

电力载波ofdm系统频率域帧检测同步方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电力载波OFDM系统频率域帧检测同步方法及装置。该方法步骤包括：将具有正OFDM符号重复、负OFDM符号相连特征的帧前导插入到帧数据之前，得到发送帧信号并发送；接收端对接收信号处理转换得到数字采样信号值，并对该信号值进行FFT变换得到子载波频域值；相邻2次FFT输出子载波频域值进行相关运算，根据大于阈值的子载波个数，判断接收信号中是否有帧信号；根据满足子载波个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差确定进行FFT变换时的时域循环移位值；根据所述循环移位值，调整FFT窗口，重新进行FFT，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值，查找特征值为负位置；所述特征值为负位置，即正OFDM符号与负OFDM符号相连的位置，从而可以推得帧的起始位置。本发明对频带内周期窄带干扰以及带外噪声具有很强的鲁棒特性。

Description

电力载波OFDM系统频率域帧检测同步方法及装置
技术领域
本发明涉及低压电力载波通信技术领域，尤其涉及一种电力载波OFDM系统频率域帧检测同步方法及装置。
背景技术
电力载波利用分布广泛、方便接入的电力线网络作为通信的载体，无需额外布线，成本低廉，但是低压电力线本身是为了传输电能而架设的，电力线上连接着各种各样的用电设备，并且用电设备的接通与断开具有很大的随机性，由此带来电力线信道的噪声和干扰强烈，载波信号衰减很大，通信条件十分恶劣。
现有电力通信技术的载波频率普遍在500kHz以下，因为载波频段集中在低频，信道过少，每个载波信道相对狭窄，通信速率非常低，且容易受到集中干扰；宽带电力通信技术使用1MHz以上的载波频率，因其较宽的频带、较高的通信速率以及相对干净的信道环境，成为研究和应用的新趋势。
OFDM技术，即正交频分复用技术，是多载波调制解调技术的一种，该技术核心思想是将一个较宽的通信频带划分成一个个相互正交的子频带，每个子频带调制方式相对独立，其在提高频带利用率、对抗信道的选择性衰落和简化信道均衡等方面具有很大优势，此外借助快速傅利叶变换(FFT/IFFT)算法实现OFDM调制和解调可以大大降低系统的复杂度，因此OFDM技术非常适合宽带载波通信。
宽带OFDM技术需要解决的关键问题之一是帧的检测与同步问题，能否正确检测与同步直接决定了通信能否正常进行，帧检测与同步算法应能在较低的信噪比和较强的窄带干扰情况下保证通信的鲁棒特性；国际宽带电力载波通信标准HomePlug AV就规定其通信系统应能抵抗任一频率在100kHz至30MHz之间，干扰功率比帧信号高达25dB的单频正弦波的干扰。
现有的OFDM帧检测与同步方法均是在时域进行的，基本上分为三种，第一种是利用时域采样信号之间的延时自相关特性，第二种是利用时域采样信号与本地采样序列之间的互相关特性，以及由上面两种方法混合的第三种方法；第一种延时自相关方法，可利用递推的方式计算，计算量较小，但对窄带干扰，例如单频正弦波，非常敏感，需增加复杂的滤波电路；第二种本地采样信号互相关方法对噪声和窄带干扰的抵抗性能稍好，但由于每更新一个采样点需要重新做一次互相关运算，计算量、存储和功耗都非常大，在宽带高速通信应用中很难实现。
发明内容
为解决上述宽带OFDM系统在时域进行帧检测与同步存在的问题，本发明提供一种频率域帧检测同步方法。
为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种电力载波OFDM系统频率域帧检测同步方法，步骤包括：
将具有正OFDM符号重复、负OFDM符号相连特征的帧前导插入到帧数据之前，得到发送帧信号并发送；
接收端对接收信号处理转换得到数字采样信号值，并对该信号值进行FFT变换得到子载波频域值；
相邻2次FFT输出子载波频域值进行相关运算，根据大于阈值的子载波个数，判断接收信号中是否有帧信号；
根据满足子载波个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差确定进行FFT变换时的时域循环移位值；
根据所述循环移位值，调整FFT窗口，重新进行FFT，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值，查找特征值为负位置；
所述特征值为负位置，即正OFDM符号与负OFDM符号相连的位置，从而可以推得帧的起始位置。
在所述接收端对接收信号处理转换得到数字采样信号值，并对该信号值进行FFT变换得到子载波频域值的步骤中，进行FFT变换的起始数字采样信号值的编号为l＝NFFT·n,n＝0,1,2,3,……，其中NFFT是FFT变换的长度。
所述相邻2次FFT输出子载波频域值进行相关运算，根据大于阈值的子载波个数，判断接收信号中是否有帧信号的步骤包括如下步骤：
计算相邻2次FFT输出子载波频域值的相关值Cn(ki)：
Cn(ki)＝real{Xn(ki)·conj(Xn-1(ki))},ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
其中，Xn(ki)代表第n次FFT变换输出的第ki号子载波频率域值，Cn(ki)代表第n次计算的第ki号子载波的相关值，real{A}表示取复数A的实部，conj(A)表示取复数A的共轭复数值，cstart表示发送端起始已调子载波编号，cstop表示发送端最末已调子载波编号。
计算相邻2次FFT输出子载波频域值的能量值En(ki)：
En(ki)＝|Xn(ki)|2+|Xn-1(ki)|2,ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
计算相邻2次FFT输出子载波频域值的相关归一化值Rn(ki)：
Rn(ki)＝Cn(ki)/En(ki),ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
统计序号cstart至cstop对应子载波的相关归一化值Rn(ki)中大于设定的相关阈值Rthre的个数Nn；
所述统计的个数Nn与设定的子载波个数阈值Nthre比较，当连续5次统计个数均大于阈值时，即判定接收信号中存在帧信号。
所述根据满足子载波个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差确定进行FFT变换时的时域循环移位值的步骤包括如下步骤：
计算满足个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差Φ：
其中表示正OFDM符号第ki号子载波调制的初始相位，angle{A}表示取复数A的相位值。
计算进行FFT时OFDM符号的时域循环移位值Nshift：
所述根据所述循环移位值，调整FFT窗口，重新进行FFT，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值，查找特征值为负位置的步骤包括如下步骤：
调整FFT窗口，重新进行FFT时，FFT输入起始采样信号值的编号l′：
l′＝NFFT·(n0+3)-Nshift
重新进行FFT变换，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值λn′：
当所述相关特征值λn′变为负值时，终止特征值计算，记下FFT变换时，输入起始采样值的编号l′SYNCM。
在所述所述特征值为负位置，即正OFDM符号与负OFDM符号相连的位置，从而可以推得帧的起始位置的步骤中，帧的起始位置lstart计算公式为：
lstart＝l′SYNCM-7.5·NFFT。
一种电力载波OFDM系统频率域帧检测同步装置，包括如下模块：
发送模块，负责将具有正OFDM符号重复、负OFDM符号相连特征的帧前导插入到帧数据之前，得到发送帧信号并发送；
接收处理模块，负责将接收信号进行滤波放大以及转换成数字采样信号；
FFT模块，负责将接收时域数字采样信号转换成频率域采样信号；
帧头检测模块，负责检测接收信号中是否有帧信号；
帧同步模块，负责在检测到接收信号中存在帧信号后，计算帧信号的起始位置；
所述帧头检测模块包括子载波频域值的相关值计算模块、子载波频域值的能量值计算模块、子载波频域值的相关归一化值计算模块、子载波个数统计模块和判决模块。
所述帧同步模块包括相邻子载波的相位差计算模块，时域循环移位值计算模块，调整FFT窗口后子载波相关特征值计算模块，以及帧起始位置推算模块。
对比现有的技术本发明有如下有益效果：
本发明创新性地提出了在频率域进行帧检测和同步的方法，省去时域的滤波器模块，降低了OFDM系统的复杂度，同时提高了在噪声尤其是强窄带干扰环境下系统的鲁棒特性，增加了帧同步位置的准确度，由于帧检测是在频域进行的，帧检测过程中的数据直接可用于信道信噪比估计以及频率偏差估计等，简化了系统设计。
由于帧检测是在频域进行的，载波频率分配可以变的十分灵活，为OFDM系统采用跳频的方式避开某些信号质量较差的频带，选择最佳的通信频带提供了可能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种信号处理流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种帧前导的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更容易理解，下面结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种电力载波OFDM系统频率域帧检测同步方法的信号处理流程示意图，包括如下步骤：
步骤S101：将具有正OFDM符号重复、负OFDM符号相连特征的帧前导插入到帧数据之前，得到发送帧信号并发送；
所述帧前导中正OFDM符号为SYNCP，负OFDM符号为SYNCM，SYNCP和SYNCM为G3-PLC标准协议中的前导符号，SYNCM是由SYNCP取负得到的；
在本发明实施例中，正OFDM符号个数为7.5，负OFDM符号个数为2.5，帧前导的结构如图2所示，正OFDM符号的后半部分(0.5个)位于帧前导的起始，7个连续的正OFDM符号紧随其后，接着是2个连续的负OFDM符号，负OFDM符号的前半部分(0.5个)位于帧前导的尾部。
步骤S102：接收端对接收信号处理转换得到数字采样信号值，每当转换得到NFFT个采样值时，进行1次长度为NFFT的FFT变换，得到并保存此次FFT输出的已调子载波的频率域值；
所述的已调子载波是指位于通信频带内的有效子载波，即通信时有用的子载波，没有使用的子载波(通信频带外的子载波)在发送时幅度为0，进行FFT变换的起始数字采样信号值的编号记为l＝NFFT·n,n＝0,1,2,3,……，n是每次进行FFT变换的编号，例如进行第n＝0次FFT变换的采样值编号为0,1,2,……,NFFT-1；
在本发明实施例中，NFFT的取值为384。
步骤S103：相邻2次FFT输出子载波频域值进行相关运算，根据大于阈值的子载波个数，判断接收信号中是否有帧信号，具体地，该步骤包含如下子步骤：
S1031：计算相邻2次FFT输出子载波频域值的相关值Cn(ki)，用公式表示如下：
Cn(ki)＝real{Xn(ki)·conj(Xn-1(ki))},ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
其中，Xn(ki)代表第n次FFT变换输出的第ki号子载波频率域值，初始化X-1(ki)＝0，Cn(ki)代表第n次的第ki号子载波的相关值，real{A}表示取复数A的实部，conj(A)表示取复数A的共轭复数值，cstart表示发送端起始已调子载波编号，cstop表示发送端最末已调子载波编号；
在本发明实施例中，cstart取值为10，cstop取值为153，共144个已调子载波；
S1032：计算相邻2次FFT输出子载波频域值的能量值En(ki)：
En(ki)＝|Xn(ki)|2+|Xn-1(ki)|2,ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
S1033：计算相邻2次FFT输出子载波频域值的相关值归一化值Rn(ki)：
Rn(ki)＝Cn(ki)/En(ki),ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
优选地，实施时为防止上述公式中被0除，在接收信号能量值En(ki)为0或者非常小时，设定Rn(ki)为0；
S1034：统计序号cstart至cstop对应子载波的相关归一化值Rn(ki)中大于设定的相关阈值Rthre的个数Nn；
所述相关阈值Rthre的取值范围是0～0.5，该阈值越大，要求子载波的相关度越大，即信噪比越高；
在本发明实施例中，相关阈值Rthre取值为0.375；
S1035：所述统计的子载波个数Nn与设定的子载波个数阈值Nthre比较，当连续5次统计的子载波个数均大于设定的阈值时，也就是判定接收信号中存在帧信号；
其中n＝n0表示第1次满足大于子载波个数阈值条件时，FFT变换的编号；
子载波个数阈值Nthre越大，要求满足相关度的子载波越多，窄带干扰只会破坏有限的几个子载波，不满足子载波个数阈值条件，从而可以有效抵抗窄带干扰；
在本发明实施例中，子载波个数阈值Nthre取值为72。
步骤S104：根据满足子载波个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差确定进行FFT变换时的时域循环移位值；具体地，该步骤包含如下子步骤：
S1041：计算满足子载波个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差Φ：
其中表示发送端正OFDM符号的第ki号子载波调制的初始相位，angle{A}表示取复数A的相位值(范围为-π至π)；
在本实施例中，m取值为2和3，这是因为在m＝0,1时帧信号幅度可能尚未稳定，而m>＝4时可能会受到负OFDM符号的串扰；
S1042：计算进行FFT时OFDM符号的时域循环移位值Nshift：
步骤S105：根据所述循环移位值，调整FFT窗口，重新进行FFT，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值，查找相关特征值为负时的位置；具体地，该步骤包含如下子步骤：
S1051：调整FFT窗口，在重新进行FFT时，首次FFT变换输入起始采样信号值的编号l′计算如下：
l′＝NFFT·(n0+3)-Nshift
S1052：重新进行FFT变换，FFT的输出记为X′n′(ki)，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值λn′：
其中初始化FFT输出X′-1(ki)＝0；
S1053：当所述相关特征值λn′变为负值时，记下此次FFT变换时，输入起始采样值的编号l′SYNCM，并终止FFT以及特征值的计算。
步骤S106：所述特征值为负位置，即正OFDM符号与负OFDM符号相连的位置，从而可以计算帧的起始位置；
帧的起始位置lstart计算公式为：
lstart＝l′SYNCM-7.5·NFFT
以上即是结合最佳实施例对本发明做的详细描述，所述参数及数值仅仅是本发明的一种实施例，在不脱离本发明精神的情况下，具体的实施例可以有各种变化和修改，本领域的技术人员应该容易理解这些具体实施例也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力载波OFDM系统频率域帧检测同步方法，其特征在于，步骤包括：
将具有正OFDM符号重复、负OFDM符号相连特征的帧前导插入到帧数据之前，得到发送帧信号并发送；
接收端对接收信号处理转换得到数字采样信号值，并对该信号值进行FFT变换得到子载波频域值；
相邻2次FFT输出子载波频域值进行相关运算，根据大于阈值的子载波个数，判断接收信号中是否有帧信号；
根据满足子载波个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差确定进行FFT变换时的时域循环移位值；
根据所述循环移位值，调整FFT窗口，重新进行FFT，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值，查找特征值为负位置；
所述特征值为负位置，即正OFDM符号与负OFDM符号相连的位置，从而可以推得帧的起始位置。
2.根据权利要求1所述的频率域帧检测同步方法，其特征在于，在所述将具有正OFDM符号重复、负OFDM符号相连特征的帧前导插入到帧数据之前，得到发送帧信号并发送的步骤中，所述帧前导中正OFDM符号为SYNCP，负OFDM符号为SYNCM，SYNCP和SYNCM为G3-PLC标准协议中的前导符号；所述正OFDM符号个数为7.5，负OFDM符号个数为2.5。
3.根据权利要求1所述的频率域帧检测同步方法，其特征在于，在所述接收端对接收信号处理转换得到数字采样信号值，并对该信号值进行FFT变换得到子载波频域值的步骤中，进行FFT变换的起始数字采样信号值的编号为l＝NFFT·n,n＝0,1,2,3,……，其中NFFT是FFT变换的长度。
4.根据权利要求3所述的频率域帧检测同步方法，其特征在于，所述相邻2次FFT输出子载波频域值进行相关运算，根据大于阈值的子载波个数，判断接收信号中是否有帧信号的步骤包括如下步骤：
计算相邻2次FFT输出子载波频域值的相关值Cn(ki)：
Cn(ki)＝real{Xn(ki)·conj(Xn-1(ki))},ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
其中，Xn(ki)代表第n次FFT变换输出的第ki号子载波频率域值，Cn(ki)代表第n次计算的第ki号子载波的相关值，real{A}表示取复数A的实部，conj(A)表示取复数A的共轭复数值，cstart表示发送端起始已调子载波编号，cstop表示发送端最末已调子载波编号。
计算相邻2次FFT输出子载波频域值的能量值En(ki)：
En(ki)＝|Xn(ki)|2+|Xn-1(ki)|2,ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
计算相邻2次FFT输出子载波频域值的相关归一化值Rn(ki)：
Rn(ki)＝Cn(ki)/En(ki),ki＝cstart,cstart+1,…,cstop
统计序号cstart至cstop对应子载波的相关归一化值Rn(ki)中大于设定的相关阈值Rthre的个数Nn；
所述统计的个数Nn与设定的子载波个数阈值Nthre比较，当连续5次统计个数均大于阈值时，即判定接收信号中存在帧信号。
5.根据权利要求4所述的频率域帧检测同步方法，其特征在于，所述根据满足子载波个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差确定进行FFT变换时的时域循环移位值的步骤包括如下步骤：
计算满足个数条件的FFT输出相邻子载波的相位差Φ：
Φ = a n g l e { Σ m = 2 3 Σ k i = c s t a r t c s t o p - 1 X n 0 + m ( k i + 1 ) · c o n j ( X n 0 + m ( k i ) ) · e j · ( θ k i - θ k i + 1 ) }
其中表示正OFDM符号第ki号子载波调制的初始相位，angle{A}表示取复数A的相位值。
计算进行FFT时OFDM符号的时域循环移位值Nshift：
N s h i f t = Φ 2 · π · N F F T .
6.根据权利要求5所述的频率域帧检测同步方法，其特征在于，所述根据所述循环移位值，调整FFT窗口，重新进行FFT，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值，查找特征值为负位置的步骤包括如下步骤：
调整FFT窗口，重新进行FFT时，FFT输入起始采样信号值的编号l′：
l′＝NFFT·(n0+3)-Nshift
重新进行FFT变换，计算相邻2次FFT输出子载波相关特征值λn′：
λ n ′ = r e a l { Σ k i = c s t a r t c s t o p X n ′ ′ ( k i ) · c o n j ( X n ′ - 1 ′ ( k i ) ) } , n ′ = 0 , 1 , 2 , ...
当所述相关特征值λn′变为负值时，终止特征值计算，记下FFT变换时，输入起始采样值的编号l′SYNCM。
7.根据权利要求1所述的频率域帧检测同步方法，其特征在于，在所述所述特征值为负位置，即正OFDM符号与负OFDM符号相连的位置，从而可以推得帧的起始位置的步骤中，帧的起始位置lstart计算公式为：
lstart＝l′SYNCM-7.5·NFFT。
8.一种电力载波OFDM系统频率域帧检测同步装置，其特征在于，包括如下模块：
发送模块，负责将具有正OFDM符号重复、负OFDM符号相连特征的帧前导插入到帧数据之前，得到发送帧信号并发送；
接收处理模块，负责将接收信号进行滤波放大以及转换成数字采样信号；
FFT模块，负责将接收时域数字采样信号转换成频率域采样信号；
帧头检测模块，负责检测接收信号中是否有帧信号；
帧同步模块，负责在检测到接收信号中存在帧信号后，计算帧信号的起始位置。
9.如权利要求8所述的电力载波OFDM系统频率域帧检测同步装置，其特征在于，所述帧头检测模块包括子载波频域值的相关值计算模块、子载波频域值的能量值计算模块、子载波频域值的相关归一化值计算模块、子载波个数统计模块和判决模块。
10.如权利要求8所述的电力载波OFDM系统频率域帧检测同步装置，其特征在于，所述帧同步模块包括相邻子载波的相位差计算模块，时域循环移位值计算模块，调整FFT窗口后子载波相关特征值计算模块，以及帧起始位置推算模块。
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